X射线脉冲星导航空间试验进展与展望

X射线脉冲星导航（XNAV）技术作为一种新型的航天器自主导航技术,是目前深空探测巡航段最有潜力的自主导航技术之一。X射线脉冲星导航的概念提出于20世纪80年代,经过数十年的发展,该技术已逐渐从理论研究走向空间试验。介绍了近些年国内外完成的脉冲星导航空间试验,系统梳理和分析了当前脉冲星导航空间试验使用的信号处理方法、导航方法和X射线探测终端。根据国内外脉冲星导航空间试验的特点,总结了目前国内脉冲星导航试验在在轨解算和X射线探测终端方面的不足。最后,结合空间试验的现状及工程应用的实际需要,对未来脉冲星导航空间试验进行了展望。     

X射线聚焦光学在脉冲星探测领域的应用

脉冲星是人类20世纪发现的重大天文学事件，X射线脉冲星探测作为天体物理学和空间探测领域的重要分支之一，在基础科学研究和工程应用领域具有极其重要的意义，长期以来被美国、欧洲、日本和中国列入国家重大发展规划。脉冲星探测面临自身辐射流量微弱、空间辐射本底复杂、X射线易散射等难题，特别是毫秒脉冲星的高灵敏度探测极具挑战性。近年来，X射线聚焦光学的快速发展为空间天文学、空间科学、脉冲星计时与导航等领域提供了新方法和新视角。通过回顾半个世纪以来X射线聚焦光学的发展历程，总结了未来脉冲星探测需求，阐述了空间X射线聚焦光学的关键技术、应用情况与发展现状。最后，对X射线聚焦光学技术发展趋势及其在X射线脉冲星探测领域的潜在应用进行展望。     

5颗导航用X射线脉冲星计时分析

脉冲星计时特性分析是开展脉冲星导航和脉冲星时研究的基础，为其提供了精确的脉冲星计时模型参数和辐射特征。本文在系统总结脉冲星计时分析方法的基础上，选择了当前导航中应用最广泛的5颗脉冲星，并利用国内外在轨X射线观测卫星的最新观测数据对其分析，包括：“慧眼”硬X射线调制解调望远镜（HXMT）针对Crab脉冲星和PSR B1509-58的观测，中子星内部结构探测器（NICER）针对PSRs J1821-2452A、J1939+2134和J0030+0451的观测。通过对“慧眼”HXMT和NICER在2017-2021年高精度计时观测数据的分析，获得了较长时间段内脉冲星最新状态的自转特性和物理信息，一方面给定了脉冲星最新的、覆盖时间长、自转参数精度较高的X射线星历，证明在X射线波段也可独立给出较高精度的星历；另一方面建立了它们清晰显著的积分脉冲轮廓，其中在选定的能量段范围内3颗毫秒脉冲星的轮廓是当前最精确的，可为脉冲星导航研究提供最新的标准模板。本文仅对脉冲星的X射线数据进行了分析，未来利用国内外多个望远镜，开展多波段联合计时分析，将是脉冲星计时研究的重要方向。     

脉冲星试验01星科学试验与成果

X射线脉冲星导航作为一种战略性、前沿性、基础性技术，自概念诞生以来就备受国际关注。由于脉冲星导航仿真验证模型复杂，关键技术难以全部地面验证，为此中国于2016年发射了脉冲星试验01星开展系列科学试验。对脉冲星试验01星科学试验成果进行了系统总结：利用大流量脉冲星实测数据对Wolter-I聚焦型探测器在轨能量响应、时间响应、有效面积和本底噪声进行了测试标定，基于低流量脉冲星实测数据开展了空间环境探测试验，对蟹状星云（Crab）脉冲星进行长期观测并计时分析得到了高精度自转参数，初步试验验证了脉冲星导航技术。结合脉冲星试验01星的科学试验经验提出了未来发展方向。相关试验的开展摸清了中国脉冲星导航技术能力现状，获取了大量自主观测数据，加速了中国脉冲星导航技术发展。     

面向脉冲星深空基准建立的X射线望远镜及发展设想

深空基准是进入、利用和控制太空的基础，X射线望远镜是构建脉冲星深空基准的重要观测设备。首先，论述了脉冲星计时在深空基准建立中的作用，定性分析了毫秒脉冲星空间观测对X射线望远镜的需求，系统总结了X射线望远镜的国内外技术现状及发展趋势；其次，针对X射线毫秒脉冲星观测中脉冲信号弱而非脉冲信号及空间弥散本底较强的特点，提出了利用毫秒脉冲星高分辨率成像观测抑制非脉冲噪声的方法，并初步设计了一种高分辨率低噪声X射线望远镜；最后，分析了不同的脉冲信号流量、非脉冲信号流量、角分辨率及单次镜片反射效率分别对聚焦成像型、聚焦非成像型和准直非成像型X射线望远镜脉冲星观测信噪比的影响，发现聚焦成像型X射线望远镜在弱脉冲信号和强非脉冲信号流量下具有较好的探测能力。同时计算结果表明：在相同条件下，聚焦成像型望远镜对5颗导航脉冲星的探测灵敏度，比美国中子星内部组成探测器（NICER）的X射线计时仪器（XTI）有不同程度的提高。可见，设计的聚焦成像型X射线望远镜，能够有效地提高毫秒X射线脉冲星的观测能力，能为国家综合定位导航授时（PNT）及深空基准体系的建设提供硬件支持。     

X射线脉冲星导航方法研究综述

X射线脉冲星导航技术是一种新兴的、有潜力的航天器自主导航技术。作为导航参考源,脉冲星的自转长期稳定性极佳。因此,X射线脉冲星导航在深空探测、星座自主导航以及时间基准自主维持等领域具有较大优势。首先,对X射线脉冲星导航的背景意义进行了简要介绍。其次,介绍了X射线脉冲星导航2个方面的关键技术：面向导航的脉冲星数据处理技术以及脉冲星导航理论的研究进展。再次,总结了现有的以及未来可能的X射线脉冲星导航应用体制。最后,展望了X射线脉冲星导航技术的发展趋势,并对全文进行了总结。     

空间X射线反射式聚焦系统的同步辐射表征技术

针对脉冲星观测与计时导航等领域对空间X射线望远镜测试与标定的迫切需求，综述了目前国内外基于同步辐射和X射线自由电子激光光源发展的多种高精度的反射式聚焦系统的面形检测、系统标定和反射率计量测量技术。着重介绍了细光束、哈特曼波前传感器、光栅干涉、近场散斑等面形测试方法在不同尺度和面形的反射镜在线测量中的应用，阐明了其在工程应用中的优劣。介绍了同步辐射装置在空间X射线望远镜的在线成像和校准以及反射率计量上已开展的卓有成效工作。期望通过相关综述介绍，可以推广空间X射线望远镜反射元件广泛利用同步辐射等大科学装置进行性能表征实验，以此促进相关领域的进一步发展。国内同步辐射大科学装置的建立和蓬勃发展为大尺度空间X射线望远镜的在线检测、校准和光学性能表征提供了重要支撑。     

基于卫星实测数据的X射线脉冲星导航体制验证

介绍了X射线脉冲星序贯观测导航体制和脉冲星导航基本原理。提出了基于卫星实测数据的脉冲星导航基本观测量处理方法。针对中国首颗大型天文卫星“慧眼”（Insight-HXMT）的能粒子探测器载荷观测的原始观测数据，给出了导航观测量处理精度结果。同时将卫星精密定轨星历作为标称轨道，与X射线脉冲星导航定位结果进行对比，得出了Insight-HXMT卫星数据的X射线脉冲星导航精度约为10 km的结论。最后，针对实测数据导航结果讨论了本次试验的不足并给出了未来脉冲星导航试验的建议。     

太阳信息辅助的脉冲相位估计方法及导航应用

X射线脉冲星导航是一种新兴的航天器自主导航方法，脉冲相位是其基本测量量。然而，现有的在轨航天器脉冲相位估计方法计算量大，阻碍了X射线脉冲星导航的工程应用。为了减少脉冲相位估计的计算量，提出了一种基于太阳信息辅助的深空探测器脉冲相位估计方法。通过太阳信息粗略地消除航天器轨道运动的影响，并推导了对应的脉冲星相位计算公式。在此基础上，提出了一种X射线脉冲星/太阳信息深组合导航方法，并通过仿真验证了太阳信息辅助脉冲相位估计方法和组合导航方法的性能。仿真结果表明，所提出的脉冲相位估计方法在保证精度的前提下具有更小的计算量。此外，对于深空探测器，所提出的组合导航方法的位置误差相比于仅使用太阳信息导航的方法降低了70.1%。     

Wolter-Ⅰ型X射线脉冲星探测器的空间环境本底分析

X射线脉冲星导航具有自主性强、抗干扰、安全性高等特点。针对X射线脉冲星辐射信号的探测与识别介绍了一款Wolter-Ⅰ型X射线脉冲星探测器。为评估探测器的性能、提升灵敏度，对该Wolter-Ⅰ型X射线脉冲星探测器开展了蒙特卡罗(MC)模拟研究。首先基于空间环境信息系统(SPENVIS)平台给出运行轨道中不同种类带电粒子的分布与能谱特征；然后采用GEANT4软件构建了Wolter-Ⅰ型X射线脉冲星探测器的质量模型，模拟了探测器对电子、质子及氦等带电粒子的响应；最后以遮光膜参数优化为例说明探测器优化方式，并给出优化后探测器在700 km地球圆轨道上的空间环境本底。结果表明优化后探测器的空间环境本底为30.68 cts·s^-1。     

Pulsar Timing and Its Application for Navigation and Gravitational Wave Detection

Pulsars are natural cosmic clocks. On long timescales they rival the precision of terrestrial atomic clocks. Using a technique called pulsar timing, the exact measurement of pulse arrival times allows a number of applications, ranging from testing theories of gravity to detecting gravitational waves. Also an external reference system suitable for autonomous space navigation can be defined by pulsars, using them as natural navigation beacons, not unlike the use of GPS satellites for navigation on Earth. By comparing pulse arrival times measured on-board a spacecraft with predicted pulse arrivals at a reference location (e.g. the solar system barycenter), the spacecraft position can be determined autonomously and with high accuracy everywhere in the solar system and beyond. We describe the unique properties of pulsars that suggest that such a navigation system will certainly have its application in future astronautics. We also describe the on-going experiments to use the clock-like nature of pulsars to “construct” a galactic-sized gravitational wave detector for low-frequency (\(f_{GW}\sim 10^{-9} \text{--} 10^{-7}\) Hz) gravitational waves. We present the current status and provide an outlook for the future.     

不依赖于卫星的无人系统视觉/激光雷达感知与自主导航技术

智能化的无人系统在现代社会中起着重要作用,而对环境信息的准确感知以及自身位置的精准估计是无人系统智能、高效执行任务的核心基础,视觉与激光雷达传感器是无人系统常用的感知与导航传感器.近年来,随着应用场景的拓展,无卫星信号、无光等恶劣环境对无人系统的感知与自主导航技术提出了新的挑战.针对上述环境,对无人系统中视觉/激光雷达感知技术与自主导航技术及其进展进行了分析和总结.从感知和导航定位两个应用层面出发,深入讨论和分析了基于视觉和激光雷达手段的深度估计、目标检测、自主导航、地图构建等技术的机理差异、实现方法及特性.分析了目前国内外研究成果及进展,总结对比了目前的技术特点与局限性,并展望了未来无人系统感知与导航的关键技术挑战与发展趋势.     

Some problems of pulsar physics or I'm madly in love with electricity

Some current topics in the theory of pulsar magnetospheres and their emission are reviewed. The mode of plasma supply and its consequences for structure of planetary and stellar magnetospheres is discussed. In the pulsar case, the plasma is supplied by electrical forces, in contrast to all other known examples. The resulting theories of particle acceleration along polar field lines are then reviewed, and the total energization of the charge separated plasma is summarized, when pair creation is absent. The effects of pair creation are reviewed using models of the resulting steady and unsteady flows, when the polar zones of the pulsar emit either electrons or ions. The application of these theories of acceleration and plasma supply to pulsars is discussed, with particular attention paid to the total amount of electron-positron plasma created and its momentum distribution. Qualitative agreement is shown between the spatial structure of the relativistically outflowing plasma described in one version of these models and the morphology of pulsar wave forms. Various aspects of radiation emission and transport are summarized, based on the polar current flow model with pair creation, and the phenomenon of marching subpulses is discussed. The corotation beaming and the relativistically expanding current sheet models for pulsar emission are also discussed briefly, and the paper concludes with a brief discussion of the relation between the theories of polar flow with pair plasma and the problem of the energization of the Crab Nebula.Proceedings of the NASA/JPL Workshop on the Physics of Planetary and Astrophysical Magnetospheres.     

Frequency steering of spaceborne clocks based on XPNAV-1 observations

Due to high stable rotations, timing of pulsars provides a natural tool to correct the frequency deviation of spaceborne atomic clocks. Based on processing the observational data about a year of Crab pulsar given by XPNAV-1 satellite, we study the possibility of correcting the frequency deviation of spaceborne atomic clocks using pulsar timing. According to the observational data in X-ray band and the timing model parameters from radio observations, the pre-fit timing residuals with a level of 6...     

基于IPTA数据的毫秒脉冲星综合稳定度评估

利用脉冲星极其稳定的自转频率可以形成一种天文时间基准，部分毫秒级脉冲星的稳定度甚至超越了原子钟，但其观测稳定度易受多种噪声源的影响。一般来说，不同的脉冲星的噪声大部分是相互独立的，因此可以通过加权综合和滤波算法构建综合脉冲星时，有效去除计时残差中的噪声。针对此问题，采用10颗毫秒级脉冲星的国际脉冲星计时阵列（international pulsar timing array, IPTA）数据进行了稳定度评估分析，其中7颗脉冲星的观测数据长度在10年以上。综合考虑单颗脉冲星稳定度评估的结果和观测数据的长度后，筛选出了4颗脉冲星用于构建综合脉冲星时。同时对比了经典加权算法、小波分解算法和维纳滤波算法的综合脉冲星时稳定度结果。结果表明：脉冲星的长期稳定度优于短期稳定度，2颗脉冲星在1年处稳定度达10-15量级，8颗在1 000天处也达到了10-15量级，其中PSR J1600-3053在5年处稳定度达到了最佳，为7.023×10-16 。此外，三种算法中，维纳滤波建立的综合脉冲星时稳定度最佳，在5年处达到了1.502×10-15，优于参与构建的其他所有脉冲星的5年稳定度。     

Intermittent stellar wind accretion in Pop. I binary systems containing an X-ray pulsar

We review the long term variability properties of accretion powered X-ray pulsars in massive Pop. I binary systems and discuss how their characteristics, in particular the large dynamic range in luminosity of the transient pulsars, can be understood in terms of the interaction of the accreting material with the neutron star magnetosphere. We point out that the X-ray pulsar transient activity in general can be due to the transition between direct wind accretion and a regime in which the centrifugal drag exerted by the pulsar magnetosphere inhibits accretion onto the neutron star surface.     

天文光谱测速导航技术与应用思考

随着我国航天技术的发展,航天器对导航系统的精度、自主性、实时性等综合性能需求越来越高。天文光谱测速导航作为近年来提出的新型自主导航技术,具有直接获取航天器速度信息且实时性好、测速精度高等特点,具有广阔的应用前景。在梳理近年来天文光谱测速导航研究进展的基础上,结合天文光谱测速导航的特点,深入思考并提出了若干天文光谱测速导航技术应用组合。基于当前航天任务的需求和研究的难点,结合国内外技术趋势和我国实际工程需求,指出了天文光谱测速导航技术未来的重点研究方向及内容。天文光谱测速导航为我国航天探测工程任务导航提供了一条崭新的技术途径,对天文光谱测速导航技术的持续研究将有力促进我国航天领域导航技术的发展,提升天文导航理论研究能力和工程研制技术水平。     

Grouping bi-chi-squared method for pulsar navigation experiment using observations of Rossi X-ray timing explorer

X-ray pulsar-based navigation is a revolutionary technology which is capable of providing the required navigation information in the solar system. Performing as an important pulsar-based navigation technique, the Significance Enhancement of Pulse-profile with Orbit-dynamics (SEPO) can estimate orbital elements by using the distortion of pulse profile. Based on the SEPO technique, we propose a grouping bi-chi-squared technique and adopt the observations of Rossi X-ray Timing Explorer (RXTE) to carry out experimental verification. The pulsar timing is refined to determine spin parameters of the Crab pulsar (PSR B0531+21) during the observation periods, and a short-term dynamic model for RXTE satellite is established by considering the effects of diverse perturbations. Experimental results suggest that the position and velocity errors are 16.3 km (3σ) and 13.3 m/s (3σ) with two adjacent observations split by one day (exposure time of 1.5 ks), outperforming those of the POLAR experiment whose results are 19.2 km (3σ) and 432 m/s (3σ). The approach provided is particularly applicable to the estimation of orbital elements via using high-flux observations.     

导航、定位与授时技术综述

导航、定位与授时技术是一项重要的国家战略前沿技术和国防关键技术。首先阐述了导航、定位与授时技术的基本概念。针对导航、定位与授时技术包含的惯性导航、无线电导航、数据库参考导航、生物导航、授时等技术,简要介绍了发展历程,探讨了技术特点和典型应用,展望了未来技术发展趋势。     

鲁棒EKF在脉冲星导航系统中的应用

针对脉冲星导航系统的滤波问题,传统的扩展卡尔曼滤波(EKF)算法存在不能克服系统模型存在不确定性参数以及乘性噪声等缺陷,提出一种鲁棒EKF算法。首先,分析了状态预测误差方程和估计误差方程,利用统计学原理,得到了状态预测方差矩阵和状态估计方差矩阵计算等式。由于系统模型存在不确定性参数,状态预测协方差矩阵和状态估计协方差矩阵无法计算;因此,利用4个重要矩阵不等式,分析并找到预测方差矩阵和状态估计方差矩阵的上界。最后,利用状态估计误差协方差矩阵上界设计状态增益矩阵,使得状态估计协方差矩阵的迹最小。将该算法对脉冲星导航系统进行仿真,仿真结果验证了所提算法的有效性。